CN109556400B - 能够连续成型出料的拉拔式真空熔炼炉 - Google Patents

Abstract

本发明公开了能够连续成型出料的拉拔式真空熔炼炉，出料管的横截面形状根据需要得到的硅型材形状进行设置，拉拔杆沿着出料管下移，对坩埚内融化的液体进行抽吸，带动液体逐渐充填出料管并向下流动，当液体流动至水冷箱所处位置时，被水冷箱强制冷却，液体在通过结晶室的短时间内完成凝固，最终随着拉拔杆从出料管的底端导出，得到指定截面形状的工业硅料。本发明每个出料管下均设置两个上下分布的套筒，控制两个套筒在各自形成范围内交替上下移动，即能够实现对硅料的不间断连续拉出，将坩埚内熔炼好的硅料一次制成完整连续的整体结构，极大的提高了本发明的自动化程度和成品完整度。

Description

能够连续成型出料的拉拔式真空熔炼炉

技术领域

本发明涉及真空熔炼炉领域，具体涉及能够连续成型出料的拉拔式真空熔炼炉。

背景技术

真空熔炼是指在真空条件下进行熔炼的特种熔炼技术。主要包括真空感应熔炼、真空电弧重熔和电子束熔炼。随着现代科学技术的飞跃发展，特别是伴随着宇航、海洋开发、能源开发及电子工业的迅速进展，对金属材料或非金属材料的品种、产量、尤其是质量提出了越来越高的要求。真空熔炼需要在真空熔炼炉内进行，对于工业硅的熔炼而言，都是通过熔炼后在模具内进行浇筑从而得到成型的铸件，然而这种方式无法直接得到型材，只能满足现有硅砖的生产，在需要使用特殊成型的工业硅时，还要二次造型，导致成本升高效率低下。

发明内容

本发明的目的在于提供能够连续成型出料的拉拔式真空熔炼炉，以解决现有技术中工业硅使用时经常要二次造型的问题，实现在真空熔炼过程中一次成型、无需二次造型，降低成本的目的。

本发明通过下述技术方案实现：

能够连续成型出料的拉拔式真空熔炼炉，包括带有真空抽吸口的炉体，炉体内设置坩埚，感应加热线圈位于所述坩埚外，所述炉体内部底面设置输出端朝上的顶推装置，所述顶推装置的输出端与坩埚底部接触，所述坩埚底部设置贯穿坩埚底面的出料管，所述出料管内设置拉拔杆，所述拉拔杆的横截面与所述出料管的横截面相匹配，所述炉体下方设置结晶室，所述结晶室内部顶面设置水冷箱，所述出料管从水冷箱中穿过，且出料管的底端从结晶室底面穿出结晶室，所述拉拔杆顶部固定连接结晶头，所述结晶头为上小下大的锥体，结晶头表面设置螺旋凹槽；所述结晶室下方设置两端敞口的套筒，套筒正对出料管，所述套筒与所述出料管同轴，每个出料管下均设置两个上下分布的套筒，所述套筒的内径大于出料管的内径，套筒的相对两侧均设置齿轮，所述齿轮的轴线垂直于套筒的轴线，每个齿轮都与相匹配的齿条啮合，所述齿条的长轴平行于套筒的轴线，每个套筒上的齿轮中都有一个为主动轮，所述主动轮由安装在套筒上的电机进行驱动；所述套筒的内壁粘接环形的气囊，所述气囊通过软管与气泵相连；所有电机、气泵均与控制器相连；还包括位于炉体内部的隔离块，所述坩埚放置在隔离块上。

针对现有技术中工业硅使用时经常要二次造型的问题，本发明提出能够连续成型出料的拉拔式真空熔炼炉，真空熔炼炉的炉体带有真空抽吸口，用于保持熔炼过程中炉体内部的真空状态，通过感应加热线圈对坩埚加热，从而在坩埚内进行熔炼。顶推装置设置在炉体内部底面，其输出端与坩埚底部接触，因此通过顶推装置能够向上顶起坩埚，使得坩埚向上运动。坩埚底部设置贯穿坩埚的出料管，所述出料管内设置拉拔杆，拉拔杆的横截面与所述通孔的横截面相匹配，即是使得拉拔杆在横截面上能够充填满出料管，同时拉拔杆又能够在出料管中移动。所述横截面是指垂直于拉拔杆或出料管轴线的截面。炉体下方设置结晶室，结晶室内部顶面设置水冷箱，通过水冷箱对出料管进行水冷降温，由于出料管从水冷箱中穿过，且出料管的底端从结晶室底面穿出结晶室，因此出料管沿轴线方向的温度梯度极大，位于炉体内部的出料管受感应加热线圈加热温度很高，而位于水冷箱外的出料管温度显著降低，从而使得出料管内被拉拔杆所带动的液态硅能够在极短时间内快速结晶成型。拉拔杆顶部固定连接结晶头，所述结晶头为上小下大的锥体，避免液体在结晶头上形核和铸锭划伤结晶头，同时增大结晶头与被拉拔的液体间的接触面积，增大表面张力，从而提高拉拔杆的拉拔能力。结晶头表面设置螺旋凹槽，螺旋凹槽即是在结晶头上呈螺旋线分布的槽体，通过螺旋凹槽使得拉拔杆下移过程中，液体不仅能够在重力作用下在出料管内向下流动，还会受到螺旋凹槽向下的拉扯力，沿着螺旋凹槽快速向下流动，通过螺旋凹槽对液体提供引导与牵引，确保液体始终充填在结晶头外，避免抽空，确保成型硅件的结构稳定和连续性。还包括位于炉体内部的隔离块，所述坩埚放置在隔离块上，所述隔离块优选为隔热材料制作而成，避免坩埚热量直接传递到炉体底面再传递至结晶室影响结晶速率。结晶室下方设置两端敞口的套筒，套筒正对出料管，所述套筒与所述出料管同轴，每个出料管下均设置两个上下分布的套筒，套筒的内径大于出料管的内径，因此使得拉拔杆、以及拔出的成型硅料都能够进入套筒中从套筒中通过。对于每个套筒而言，由电机驱动主动轮转动，主动轮沿着齿条进行上下移动，在其余齿轮的共同作用下，使得套筒稳定的沿着齿条做上下移动。控制器同时还能够控制气泵，从而对气囊进行充放气，气囊充气，紧紧包裹在拉拔杆或已经成型的硅料外，利用气囊与拉拔杆或硅料之间的摩擦力带动拉拔杆或硅料整体下移，实现自动拉拔的效果。由于每个出料管下均设置两个上下分布的套筒，因此控制两个套筒在各自形成范围内交替上下移动，即能够实现对硅料的不间断连续拉出，将坩埚内熔炼好的硅料一次制成完整连续的整体结构，极大的提高本发明的自动化程度和成品完整度。本发明具体使用时，出料管的横截面形状根据需要得到的硅型材形状进行设置，如设置为圆形、方形、多边形等均可，再配置与出料管横截面相匹配的拉拔杆即可。在熔炼加热完成后，向炉体内部充入氩气，卸下炉体内部的真空状态，使得炉体内外气压平衡，之后由控制器控制两个套筒均处于高点位，向第一个套筒上的气囊充气使其仅仅包裹拉拔杆，控制第一个套筒的电机驱动对应的主动轮转动，使得第一个套筒沿着齿条下移，带动拉拔杆下移，拉拔杆沿着出料管下移，对坩埚内融化的液体进行抽吸，带动液体逐渐充填出料管并向下流动，当液体流动至水冷箱所处位置时，被水冷箱强制冷却，液体在通过结晶室的短时间内完成凝固，最终随着拉拔杆从出料管的底端导出，得到指定截面形状的工业硅料。拉拔杆下移过程中，还能够通过顶推装置推动坩埚上移，增大坩埚和拉拔杆之间的相对位移，从而提高一次位移所获取的硅料的长度。在第一个套筒移到最低位时，对第二个套筒的气囊充气并且驱动第二个套筒下移，实现对拉拔杆的连续不间断的拔出，同时通过控制器控制对第一个套筒的气囊放气并向高点位复位，以便在第二个套筒到达低位时，由第一个套筒重复上述步骤，实现始终连续不间断的交替的拉拔作业。由于拉拔杆的横截面和拉出的成型硅料的横截面是相同形状的，因此当拉拔杆完全被拉出时，气囊仍然可以包覆在硅料外，继续拉动，不会影响本发明的正常工作。通过本发明获取的硅料不仅结构能够一次成型，而且连续性与完整度都极高，在使用时仅需根据需要进行长短切割即可，无需二次造型，极大的节约了成本，提高了使用效率，提高了工业硅真空熔炼成型的方便程度，相较于现有技术具有突出的实质性特点和显著的进步。

优选的，所述坩埚底面设置凹槽，所述顶推装置的输出端位于凹槽内。确保顶推装置推动坩埚上移时的稳定和连续。

优选的，所述结晶室由金属板围绕而成，结晶室内充填导热硅脂。导热硅脂和金属板都具有良好的导热性能，使得出料管内传递而来的热量快速向外散溢，避免热量堆积在结晶室内影响水冷箱的冷却效果，提高水冷箱对液体的强制冷却效果。

优选的，所述水冷箱上连接进水管、出水管，所述进水管、出水管均延伸至结晶室外部。使用时通过进水管向水冷箱中源源不断供入冷却水，并从出水管中排出，从而使得水冷箱中形成循环高效的冷却水流，确保在缓慢拉拔过程中也能够保证强制冷却效果，进一步提高本发明的使用稳定性和可靠性。

优选的，所述出料管外套设硅胶套筒，所述硅胶套筒固定在炉体底部。硅胶套筒同于提高出料管和炉体底部之间的密封性能，同时对出料管进行保护，避免出料管物理受损。

优选的，所述出料管的底面与所述结晶室的底面齐平，出料管外套设密封圈，所述密封圈与水冷箱底面固定连接。密封圈用以确保水冷箱和出料管之间的密封性。

优选的，所述炉体内部底面设置若干层隔热垫，相邻两层隔热垫之间可拆卸连接，所述隔离块放置在隔热垫上。通过若干隔热垫可以抬高隔离块高度，从而抬高坩埚在炉体内部的高度，从而能够设置更长的出料管，以满足更长的一次成型硅料的长度需求，进一步提高本发明的适用范围。同时进一步降低坩埚传递至结晶室的热量。

优选的，所述拉拔杆顶部可拆卸连接活塞体，所述结晶头位于活塞体远离拉拔杆的一端。本方案中即是以出料管为活塞腔，以活塞体为活塞，形成稳定抽吸的活塞结构，拉拔杆下移带动活塞体在出料管内下移，从而对融化的液体进行稳定抽吸，进一步降低抽空可能性，提高拉铸成型的硅料的结构连续性。

优选的，所述套筒侧面开设盲孔，盲孔的相对两侧壁设置转轴，所述齿轮固定在转轴上。本方案给出了齿轮在套筒上的具体连接结构，简单方便易于加工与连接。

优选的，还包括安装板，所述安装板固定在结晶室底部，所述齿条、气泵、控制器均固定在安装板上。提高本发明的整体性和结构稳定性。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明能够连续成型出料的拉拔式真空熔炼炉，出料管的横截面形状根据需要得到的硅型材形状进行设置，拉拔杆沿着出料管下移，对坩埚内融化的液体进行抽吸，带动液体逐渐充填出料管并向下流动，当液体流动至水冷箱所处位置时，被水冷箱强制冷却，液体在通过结晶室的短时间内完成凝固，最终随着拉拔杆从出料管的底端导出，得到指定截面形状的工业硅料。

2、本发明能够连续成型出料的拉拔式真空熔炼炉，炉体下方设置结晶室，结晶室内部顶面设置水冷箱，通过水冷箱对出料管进行水冷降温，由于出料管从水冷箱中穿过，且出料管的底端从结晶室底面穿出结晶室，因此出料管沿轴线方向的温度梯度极大，位于炉体内部的出料管受感应加热线圈加热温度很高，而位于水冷箱外的出料管温度显著降低，从而使得出料管内被拉拔杆所带动的液态硅能够在极短时间内快速结晶成型。

3、本发明能够连续成型出料的拉拔式真空熔炼炉，通过螺旋凹槽使得拉拔杆下移过程中，液体不仅能够在重力作用下在出料管内向下流动，还会受到螺旋凹槽向下的拉扯力，沿着螺旋凹槽快速向下流动，通过螺旋凹槽对液体提供引导与牵引，确保液体始终充填在结晶头外，避免抽空，确保成型硅件的结构稳定和连续性。

4、本发明能够连续成型出料的拉拔式真空熔炼炉，每个出料管下均设置两个上下分布的套筒，控制两个套筒在各自形成范围内交替上下移动，即能够实现对硅料的不间断连续拉出，将坩埚内熔炼好的硅料一次制成完整连续的整体结构，极大的提高本发明的自动化程度和成品完整度。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明具体实施例1的结构示意图；

图2为本发明具体实施例1中结晶头的结构示意图；

图3为本发明具体实施例1中过主动轮轴线对套筒的剖视图；

图4为本发明具体实施例2工作状态下的结构示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-炉体，2-真空抽吸口，3-坩埚，4-顶推装置，5-出料管，6-拉拔杆，7-结晶室，8-水冷箱，9-隔离块，10-结晶头，11-螺旋凹槽，12-导热硅脂，13-进水管，14-出水管，15-硅胶套筒，16-密封圈，17-隔热垫，18-活塞体，19-感应加热线圈，20-套筒，21-电机，22-齿轮，23-齿条，24-气囊，25-软管，26-气泵，27-控制器，28-盲孔，29-转轴，30-安装板。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1：

如图1至图3所示的能够连续成型出料的拉拔式真空熔炼炉，包括带有真空抽吸口2的炉体1，炉体1内设置坩埚3，感应加热线圈19位于所述坩埚3外，所述炉体1内部底面设置输出端朝上的顶推装置4，所述顶推装置4的输出端与坩埚3底部接触，所述坩埚3底部设置贯穿坩埚3底面的出料管，所述出料管内设置拉拔杆6，所述拉拔杆6的横截面与所述出料管的横截面相匹配，所述炉体1下方设置结晶室7，所述结晶室7内部顶面设置水冷箱8，所述出料管从水冷箱8中穿过，且出料管的底端从结晶室7底面穿出结晶室7，所述拉拔杆6顶部固定连接结晶头10，所述结晶头10为上小下大的锥体，结晶头10表面设置螺旋凹槽11；所述结晶室7下方设置两端敞口的套筒20，套筒20正对出料管，所述套筒20与所述出料管同轴，每个出料管下均设置两个上下分布的套筒20，所述套筒20的内径大于出料管的内径，套筒20的相对两侧均设置齿轮22，所述齿轮22的轴线垂直于套筒20的轴线，每个齿轮22都与相匹配的齿条23啮合，所述齿条23的长轴平行于套筒20的轴线，每个套筒20上的齿轮22中都有一个为主动轮，所述主动轮由安装在套筒20上的电机21进行驱动；所述套筒20的内壁粘接环形的气囊24，所述气囊24通过软管25与气泵26相连；所有电机21、气泵26均与控制器27相连；还包括位于炉体1内部的隔离块9，所述坩埚3放置在隔离块9上。所述套筒20侧面开设盲孔28，盲孔28的相对两侧壁设置转轴29，所述齿轮22固定在转轴29上。还包括安装板30，所述安装板30固定在结晶室7底部，所述齿条23、气泵26、控制器27均固定在安装板30上。本实施例中与坩埚相连的出料管有两个，因此对应的拉拔杆、结晶室、水冷箱都有两个，因此套筒也分成了图1中的左右两组，每组套筒都有上下分布的两个，其中两组套筒之间共用一块安装板。此外，本实施例中控制器27优选为PLC控制器，气囊优选为橡胶材质，软管优选为乳胶软管。

实施例2：

如图1至图4所示的能够连续成型出料的拉拔式真空熔炼炉，在实施例1的基础上，所述坩埚3底面设置凹槽，所述顶推装置4的输出端位于凹槽内。所述结晶室7由金属板围绕而成，结晶室7内充填导热硅脂12。所述水冷箱8上连接进水管13、出水管14，所述进水管13、出水管14均延伸至结晶室7外部。出料管5外套设硅胶套筒15，所述硅胶套筒15固定在炉体1底部。所述出料管5的底面与所述结晶室7的底面齐平，出料管5外套设密封圈16，所述密封圈16与水冷箱8底面固定连接。所述炉体1内部底面设置若干层隔热垫17，相邻两层隔热垫17之间可拆卸连接，所述隔离块9放置在隔热垫17上。所述拉拔杆6顶部可拆卸连接活塞体18，所述结晶头10位于活塞体18远离拉拔杆6的一端。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.能够连续成型出料的拉拔式真空熔炼炉，包括带有真空抽吸口(2)的炉体(1)，炉体(1)内设置坩埚(3)，感应加热线圈(19)位于所述坩埚(3)外，其特征在于，所述炉体(1)内部底面设置输出端朝上的顶推装置(4)，所述顶推装置(4)的输出端与坩埚(3)底部接触，所述坩埚(3)底部设置贯穿坩埚(3)底面的出料管(5)，所述出料管(5)内设置拉拔杆(6)，所述拉拔杆(6)的横截面与所述出料管(5)的横截面相匹配，所述炉体(1)下方设置结晶室(7)，所述结晶室(7)内部顶面设置水冷箱(8)，所述出料管(5)从水冷箱(8)中穿过，且出料管(5)的底端从结晶室(7)底面穿出结晶室(7)，所述拉拔杆(6)顶部固定连接结晶头(10)，所述结晶头(10)为上小下大的锥体，结晶头(10)表面设置螺旋凹槽(11)；所述结晶室(7)下方设置两端敞口的套筒(20)，套筒(20)正对出料管(5)，所述套筒(20)与所述出料管(5)同轴，每个出料管(5)下均设置两个上下分布的套筒(20)，所述套筒(20)的内径大于出料管(5)的内径，套筒(20)的相对两侧均设置齿轮(22)，所述齿轮(22)的轴线垂直于套筒(20)的轴线，每个齿轮(22)都与相匹配的齿条(23)啮合，所述齿条(23)的长轴平行于套筒(20)的轴线，每个套筒(20)上的齿轮(22)中都有一个为主动轮，所述主动轮由安装在套筒(20)上的电机(21)进行驱动；所述套筒(20)的内壁粘接环形的气囊(24)，所述气囊(24)通过软管(25)与气泵(26)相连；所有电机(21)、气泵(26)均与控制器(27)相连；还包括位于炉体(1)内部的隔离块(9)，所述坩埚(3)放置在隔离块(9)上。

2.根据权利要求1所述的能够连续成型出料的拉拔式真空熔炼炉，其特征在于，所述坩埚(3)底面设置凹槽，所述顶推装置(4)的输出端位于凹槽内。

3.根据权利要求1所述的能够连续成型出料的拉拔式真空熔炼炉，其特征在于，所述结晶室(7)由金属板围绕而成，结晶室(7)内充填导热硅脂(12)。

4.根据权利要求1所述的能够连续成型出料的拉拔式真空熔炼炉，其特征在于，所述水冷箱(8)上连接进水管(13)、出水管(14)，所述进水管(13)、出水管(14)均延伸至结晶室(7)外部。

5.根据权利要求1所述的能够连续成型出料的拉拔式真空熔炼炉，其特征在于，所述出料管(5)外套设硅胶套筒(15)，所述硅胶套筒(15)固定在炉体(1)底部。

6.根据权利要求1所述的能够连续成型出料的拉拔式真空熔炼炉，其特征在于，所述出料管(5)的底面与所述结晶室(7)的底面齐平，出料管(5)外套设密封圈(16)，所述密封圈(16)与水冷箱(8)底面固定连接。

7.根据权利要求1所述的能够连续成型出料的拉拔式真空熔炼炉，其特征在于，所述炉体(1)内部底面设置若干层隔热垫(17)，相邻两层隔热垫(17)之间可拆卸连接，所述隔离块(9)放置在隔热垫(17)上。

8.根据权利要求1所述的能够连续成型出料的拉拔式真空熔炼炉，其特征在于，所述拉拔杆(6)顶部可拆卸连接活塞体(18)，所述结晶头(10)位于活塞体(18)远离拉拔杆(6)的一端。

9.根据权利要求1所述的能够连续成型出料的拉拔式真空熔炼炉，其特征在于，所述套筒(20)侧面开设盲孔(28)，盲孔(28)的相对两侧壁设置转轴(29)，所述齿轮(22)固定在转轴(29)上。

10.根据权利要求1所述的能够连续成型出料的拉拔式真空熔炼炉，其特征在于，还包括安装板(30)，所述安装板(30)固定在结晶室(7)底部，所述齿条(23)、气泵(26)、控制器(27)均固定在安装板(30)上。